• 3D biotulostus
• 3D tulostus
• biotekniikka
• lääkeannostelu

3D-tulostus eli lisäävä valmistus on yksi nykyaikaisista menetelmistä, jossa mallinnusohjelmalla tehtävä kappale voidaan tulostaa kerroksittain. Tulostuspäitä ja erilaisia tulostusmenetelmiä on kehitetty useita eri käyttötarkoituksiin ja erilaisille materiaaleille. Näiden menetelmien tarkkuudessa on suuria eroja, mutta mistä nämä erot sitten oikein johtuvat?

Biotulostus on lisäävän valmistuksen menetelmä, jossa tulostusmusteeseen voidaan lisätä bioyhteensopivia materiaaleja kuten soluja. Biotulostuksen avulla tulostettavat kappaleet muistuttavat rakenteeltaan eläviä organismeja. Menetelmänä biotulostusta hyödynnetään esimerkiksi uusien kudosten ja elinten rakentamisessa ihmisen omista soluista, kun alkuperäinen kudos tai elin on jostain syystä vaurioitunut. 3D-biotulostamista voidaan myös hyödyntää yksilöllisten lääkkeiden valmistamiseen tai lääkkeiden testaamiseen ylipäätään (Fisch et al., 2020).

Brinter Oy on suomalainen 3D-biotulostusalan yritys, joka pyrkii tuotteillaan luomaan ratkaisuja esimerkiksi lääketieteellisiin tai bioteknologisiin käyttötarkoituksiin.  Brinter Oy:llä on tarjolla tällä hetkellä 11 erilaista tulostuspäätä, joilla on kaikilla omat etunsa ja käyttötarkoituksensa. 3D-biotuloksessa voidaan käyttää mm.  ekstruusiopohjaisia ja ruuvipohjaisia tulostusmenetelmiä. Neljä yleisintä nykyaikaista 3D-biotulostusmenetelmää ovat laserpohjainen materiaalin tulostaminen, pisaraperusteinen biotulostaminen, ekstruusiopohjainen biotulostaminen sekä stereolitografiapohjainen biotulostusmenetelmä. Ekstruusiopohjaiset tulostusmenetelmät ovat yleisimpiä biotulostuksessa tällä hetkellä käytettävistä menetelmistä. (Seoane-Viaño et al., 2021)

Biotulostuksessa lähtöaineena käytettävää materiaalia kutsutaan biomusteeksi. Biomusteita voivat olla esimerkiksi erilaisista biomateriaaleista kuten polymeereistä, hydrogeeleistä tai komposiiteista koostuvat materiaalit. Biomusteeseen voidaan sekoittaa eläviä soluja, mikä mahdollistaa toiminnallisten kudosten tulostamisen ja tulevaisuudessa mahdollisesti myös toimivien elinten tulostamisen. Yksi biotulostuksen käyttökohde on kolmiulotteisten syöpäkasvainten tulostaminen lääketeollisuutta varten, jolloin voidaan mallintaa kasvaimelle soveltuvia lääkinnällisiä ratkaisuja. Tämä saattaa tulevaisuudessa myös mullistaa syöpähoidot. Biotulosteen käyttökohde vaikuttaa suuresti myös tulostuspään valintaan, kuten myös biomusteena käytettävän materiaalin reologiset ominaisuudet, esimerkiksi viskositeetti. Eri tulostusmenetelmillä voidaan aikaansaada hyvin erilaista tulostusjälkeä, esimerkiksi joissakin tapauksissa biomustetta voidaan tulostaa suihkunomaisesti, jolloin materiaali leviää tasaisesti tulostusalustalle. Paineilmaan pohjautuvalla tulostusmenetelmällä materiaalia voidaan tulostaa ohuena nauhana eli filamenttina, jonka avulla voidaan muodostaa erilaisia kolmiulotteisia kappaleita. Filamentin paksuuteen pystytään vaikuttamaan muuttamalla tulostuspäähän kiinnitetyn tulostusruiskun kärjen halkaisijaa. Myös tulostusmateriaalin valinta ja sen viskositeetti vaikuttavat suuresti tulostuspäiden tulostusjälkeen.

Viskositeetti on suure, joka kuvastaa materiaalin kykyä vastustaa liikettä. Esimerkiksi vesi on matala viskoottinen materiaali, kun taas öljy on korkea viskoottinen materiaali. Kaikille eri viskositeetin omaaville materiaaleille on olemassa niille optimaalisimmat tulostuspäänsä. Brinter® Pneuma Tool -tulostuspää soveltuu erityisesti matalaviskoosisten ja keskiviskoosisten materiaalien 3D-tulostamiseen.  Pneuma Tool on eräs Brinter Oy:n tällä hetkellä käytetyimmistä tulostuspäistä, sillä se perustuu paineilmapohjaiseen ekstruusioon. Tätä tulostuspäätä voidaan hyödyntää erilaisten hydrogeelipohjaisten materiaalien tulostuksessa ja tähän tulostuspäähän on integroitavissa myös LED-moduuli, jolla voidaan tarvittaessa kovettaa tulostettavaa materiaalia tulostusprosessin jälkeen. Hyvä esimerkki UV-kovetettavasta materiaalista on UV-kovetettava silikoni (Brinter Oy, 2022a). Pneuma Toolin ainoana heikkoutena on ollut se, että materiaalin tulee olla varsin homogeenistä, jotta tulostusprosessi onnistuu hyvin. Joissakin tapauksessa materiaalin sisällä olevat ilmakuplat tai sen kemiallinen rakenne saattavat aiheuttaa tukoksen tulostuspään kärkeen. Brinter® Visco Bio -tulostuspää pohjautuu puolestaan epäkeskoruuvipumppuun (Brinter Oy, 2022b, 2022c). Tässä tulostusmenetelmässä tulostusruiskun sisällä oleva ruuvi aikaansaa materiaalin tauottoman ulostulon. Visco Bio -tulostuspään etuja ovat muun muassa kontaminaatiovapaus ja se, että kyseisellä tulostuspäällä voidaan tulostaa hellävaraisesti soluja sisältäviä biomusteita. (Fisch et al., 2020).

Kuva 1. Epäkeskoruuvipumppuun pohjautuva Brinter® Visco Bio -tulostuspää (Brinter Oy, 2022b)

Kuva 2. Paineilmaan pohjautuva Brinter® Pneuma Tool – tulostuspää ( Brinter Oy, 2022b)

Edellä mainitut tulostuspäät ovat hyviä esimerkkejä tulostuspäistä, joilla voidaan tulostaa ohuita filamentteja. Joillakin tulostuspäillä pystytään aikaansaamaan suihkeen omaista tulostusjälkeä. Eri tulostustekniikat mahdollistavat useiden erilaisten tulostusjälkien saavuttamisen, mikä lisää 3D-tulostuksen käyttömahdollisuuksia tulevaisuudessa. Eri tulostuspäiden tulostusjäljen vertailua voidaan suorittaa esimerkiksi tulostamalla erilaisia testikappaleita. Nämä kappaleet voidaan mitata ja niitä voidaan vertailla alkuperäisen 3D-mallin mittoihin, jolloin saadaan selville, kuinka tarkasti tietyllä tulostuspäällä voidaan tulostaa tarkkoja kappaleita. Tulostusjälkeä voidaan myös analysoida punnitsemalla tulostetut kappaleet ja vertailemalla niiden massaa alkuperäisen kappaleen tilavuuteen. Tässä pitää kuitenkin huomioida myös kappaleen tulostukseen käytetyn materiaalin tiheys. (Fisch et al., 2020)

Tulostuspään tulostusjälkeen vaikuttavia tekijöitä ovat siis:

1. Käytetty tekniikka (tulostuspään tulostusmenetelmä)
2. Tulostettava biomuste
3. Tulostuspään kärki

Eri tulostuspäiden käyttökohteet eroavat toisistaan. Ilmanpaineeseen pohjautuvaa ja epäkeskoruuvipumppuun pohjautuvia tulostuspäitä voidaan hyödyntää esimerkiksi matala tai keskiviskoottisten hydrogeelien ja tahnamaisten materiaalien tulostuksessa. Ruuviekstruusioon pohjautuvat menetelmät soveltuvat taas korkea viskoottisten materiaalien tulostamiseen. Korkeviskoottisia materiaaleita ovat esimerkiksi silikoni, vahat ja keraamit. Kuumaekstruusio on myös yksi mahdollisista tulostusmenetelmistä, jossa pieniä granulaatteja voidaan sulattaa tulostuspään sisällä olevassa ekstruusiokammiossa. Granulaatit etenevät ekstruusiokammiosta tulostettavaksi ruuvin avulla. Kuumaekstruusio menetelmä soveltuu erityisesti granulaattimuodossa olevien muovien tulostamiseen. Näiden tulostuspäiden lisäksi on olemassa pisara-annostelu, jota voidaan hyödyntää esimerkiksi soluviljelyssä ja lääkeannostelussa. Jotkin tulostuspäät mahdollistavat myös useiden materiaalin yhtäaikaisen ulostulon, jolloin yksittäinen filamentti koostuu jopa kolmesta erillisestä materiaalikerroksesta. Tässä mainitut tulostusmenetelmät ovat vasta esimerkkejä siitä, mitä kaikkea tulevaisuudessa pystytään tulostamaan hyödyntäen uusia biotulostusmenetelmiä, joita kehitetään ja otetaan käyttöön jatkuvasti.

Theseus-linkki: VISCO BIO -TULOSTUSPÄÄN KÄYTTÖÖNOTTO JA TESTAUS (theseus.fi)

Lähdeluettelo

Brinter Oy. (2022a). 3D Printing UV-Curable Silicone Rubber – Brinter – 3D Bioprinting Solutions. https://www.brinter.com/press-and-news/3d-printing-uv-curable-silicone-rubber/

Brinter Oy. (2022b). Brinter^TM BioPrinter – 3D Bioprinting Solutions, Services, and Equipment. https://www.brinter.com/about-us-3d-bioprinting-solutions/

Brinter Oy. (2022c, June 3). Pneuma Tool – Brinter – 3D Bioprinting Solutions and Modules. https://www.brinter.com/product/pneuma-tool/

Fisch, P., Holub, M., & Zenobi-Wong, M. (2020). Improved accuracy and precision of bioprinting through progressive cavity pump-controlled extrusion. https://doi.org/10.1101/2020.01.23.915868

Seoane-Viaño, I., Januskaite, P., Alvarez-Lorenzo, C., Basit, A. W., & Goyanes, A. (2021). Semi-solid extrusion 3D printing in drug delivery and biomedicine: Personalised solutions for healthcare challenges. Journal of Controlled Release, 332, 367–389. https://doi.org/10.1016/J.JCONREL.2021.02.027